Unified structural motifs of the catalytically active state of Co(oxyhydr)oxides during the electrochemical oxygen evolution reaction

析氧 催化作用 电化学 氧化物 化学 活动站点 金属 循环伏安法 材料科学 氧化态 无机化学 物理化学 电极 有机化学
作者
Arno Bergmann,Travis E. Jones,Elías Martínez Moreno,Detre Teschner,Petko Chernev,Manuel Gliech,Tobias Reier,Holger Dau,Peter Strasser
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:1 (9): 711-719 被引量:601
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0141-2
摘要

Efficient catalysts for the anodic oxygen evolution reaction (OER) are critical for electrochemical H2 production. Their design requires structural knowledge of their catalytically active sites and state. Here, we track the atomic-scale structural evolution of well-defined CoOx(OH)y compounds into their catalytically active state during electrocatalytic operation through operando and surface-sensitive X-ray spectroscopy and surface voltammetry, supported by theoretical calculations. We find clear voltammetric evidence that electrochemically reducible near-surface Co3+–O sites play an organizing role for high OER activity. These sites invariably emerge independent of initial metal valency and coordination under catalytic OER conditions. Combining experiments and theory reveals the unified chemical structure motif as µ2-OH-bridged Co2+/3+ ion clusters formed on all three-dimensional cross-linked and layered CoOx(OH)y precursors and present in an oxidized form during the OER, as shown by operando X-ray spectroscopy. Together, the spectroscopic and electrochemical fingerprints offer a unified picture of our molecular understanding of the structure of catalytically active metal oxide OER sites. Knowledge of the active sites in catalysts—including the sites that form under working conditions—is vital for future design and development. Here, the authors track the atomic-scale changes in a series of well-defined cobalt-based oxide electrocatalysts, showing that the structurally distinct catalysts develop a similar structural motif as they transform into the catalytically active state.
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